《調(diào)節(jié)儀表與過(guò)程控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書基于單片機(jī)的烤箱溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化0508班 指導(dǎo)教師： 工作單位： 自動(dòng)化學(xué)院 題 目: 基于單片機(jī)的烤箱溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 初始條件：以晶振頻率為6mhz的8031作為硬件系統(tǒng)的核心，并選擇atmel公司at89c51單片機(jī)設(shè)計(jì)除氧器溫度控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)要求：使除氧器的溫度能夠控制在壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度內(nèi)預(yù)置，并實(shí)現(xiàn)在預(yù)置値處恒溫控制。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具體要求）1.設(shè)計(jì)系統(tǒng)各個(gè)部分組成結(jié)構(gòu)，給出系統(tǒng)方框圖，分析系統(tǒng)的工作原理及工作流程。2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，包括主機(jī)、溫度檢測(cè)、溫度控

2、制、人機(jī)對(duì)話（鍵盤/顯示/報(bào)警）3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，給出主程序及各個(gè)子程序的流程圖。4.論文用word打印，方框圖，流程圖，電路圖等均用protel、autocad、visio軟件繪制。時(shí)間安排： 具體時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容1月12日指導(dǎo)老師就課程設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)要求、進(jìn)度安排、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等做具體介紹。學(xué)生確定選題，明確設(shè)計(jì)要求1月13日開始查閱資料，完成方案的初步設(shè)計(jì)1月14-15日由指導(dǎo)老師指導(dǎo)完成課設(shè)情況。學(xué)生修改、完善1月16日撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書，并進(jìn)行答辯指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄1.引言32.硬件環(huán)境設(shè)計(jì)33控制算法設(shè)計(jì)與仿真43.1溫度控制算法的設(shè)計(jì)4

3、3.2模糊控制器的設(shè)計(jì)及仿真64 程序軟件設(shè)計(jì)74.1 程序模塊及設(shè)計(jì)思想84.2 模塊軟件設(shè)計(jì)8心得體會(huì)12參考文獻(xiàn)13基于模糊理論的除氧器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.引言給水的除氧是電站和工業(yè)鍋爐防止腐蝕的方法。除氧機(jī)理是: 壓力容器中溶解于水中的氣體量和水面上氣體的分壓力成正比,采用熱力除氧的方法即用蒸汽加熱給水,提高水的溫度, 使水面上蒸汽的分壓力逐步增加, 而溶解氣體的分壓力漸漸降低, 溶解于水中的氣體就不斷逸出,當(dāng)水被加熱至相應(yīng)壓力下的飽和溫度, 液面上的蒸汽的分壓力幾乎等于全壓力, 其它氣體的分壓力趨近于零,于是溶解于水中的氣體就從水中全部逸出而除去。為保證除氧效果, 熱力除氧必須具備

4、兩個(gè)條件: 必須把水加熱到除氧器壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度; 必須及時(shí)排出水中分離逸出的氣體。第一個(gè)條件不具備, 氣體不能全部從水中分離出來(lái); 第二個(gè)條件不具備時(shí), 已分離出來(lái)的氣體會(huì)重新回到水中。由此可見, 對(duì)除氧器的溫度進(jìn)行控制是很必要的。由于影響除氧器控制的水位、壓力、溫度等因素以及其變化過(guò)程之間的非線性、時(shí)變性、耦合性, 很難建立其精確的數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng)的古典控制理論及現(xiàn)代控制理論方法，只有在系統(tǒng)模型參數(shù)為非時(shí)變性的情況下才能獲得理想的效果, 當(dāng)應(yīng)用于時(shí)變系統(tǒng)時(shí), 系統(tǒng)的性能會(huì)變差, 甚至不穩(wěn)定。采用模糊控制方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)是不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型, 只要求掌握現(xiàn)場(chǎng)有經(jīng)驗(yàn)的操作人員或有關(guān)專家的

5、經(jīng)驗(yàn)、知識(shí), 或者操作者在操作過(guò)程中的操作數(shù)據(jù)及被控對(duì)象的運(yùn)行數(shù)據(jù)等, 而且根據(jù)以往的控制經(jīng)驗(yàn), 可以達(dá)到良好的控制特性。因此設(shè)計(jì)該溫度控制系統(tǒng)時(shí), 采用模糊控制理論。2.硬件環(huán)境設(shè)計(jì)目前, 由于模糊單片機(jī)的價(jià)格相當(dāng)昂貴, 所以模糊控制大多用數(shù)字單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn), 通過(guò)a/d、d/a 轉(zhuǎn)換接口與模擬環(huán)節(jié)連接, 構(gòu)成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。其硬件原理框圖如圖1 所示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中, 數(shù)字單片機(jī)采用atmel公司at89c51 單片機(jī), 它是一種低功耗、高速的八位cmos 芯片, 片內(nèi)含有4kb flash rom, 128 字節(jié)ram, 工作電壓范圍為2.76v ( 實(shí)際使用+5v 供電) , 32 條i

6、 /o 線, 2 個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5 個(gè)中斷源等資源。a/d 轉(zhuǎn)換器采用帶有8 通道模擬開關(guān)的8 位逐次逼近式a/d 轉(zhuǎn)換器adc0809, 它的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100s。d/a 轉(zhuǎn)換器采用dac0832 轉(zhuǎn)換器件, 其電流建立時(shí)間為1s。溫度傳感器測(cè)到的模擬信號(hào)輸入a/d 轉(zhuǎn)換器adc0809 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換, 然后送入主機(jī), 主機(jī)比較測(cè)量值與給定值得到溫度誤差, 并計(jì)算出溫度誤差的變化率, 作為模糊控制器的輸入, 再根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)其進(jìn)行處理。通過(guò)模糊運(yùn)算最后得到的數(shù)字輸出量送到dac0832轉(zhuǎn)換成模擬輸出量, 以控制調(diào)節(jié)閥的開度。除氧器采樣輸出輸出a/d轉(zhuǎn)換d/a轉(zhuǎn)換上位機(jī)顯示數(shù)字單

7、片機(jī)圖1 單片機(jī)模糊控制系統(tǒng)的硬件框圖3控制算法設(shè)計(jì)與仿真3.1溫度控制算法的設(shè)計(jì)模糊控制方法是把人的知識(shí)( 包括經(jīng)驗(yàn)) 用模糊規(guī)則來(lái)表示, 按模糊推理來(lái)決定操作量。其原理示意圖見圖2。其中輸入量x1、x2 是監(jiān)測(cè)到的被控系統(tǒng)的狀態(tài), u 是為保證被控系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)而輸入到被控系統(tǒng)的操作量。模糊控制裝置將從被控系統(tǒng)來(lái)的信息作為輸入, 按規(guī)則庫(kù)中的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理來(lái)決定操作量并輸出。圖2 模糊控制原理示意圖 本設(shè)計(jì)采用pid 與模糊控制相結(jié)合的方式, 即混合模糊pid 控制。由于模糊控制器為pd 型控制器, 它只具有模糊化比例和微分作用而沒有模糊積分作用, 這就造成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好, 靜態(tài)性

8、能欠佳。因此, 為了改善靜態(tài)性能、提高控制精度, 把pi 控制引入模糊控制器中構(gòu)成混合型模糊- pid 控制器, 利用比例積分作用來(lái)獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度和較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。不僅具有pid 控制精度高的特點(diǎn), 同時(shí)還有模糊控制靈活適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn), 如圖3 所示pi控制器二維模糊控制器偏差變化率除氧器tdeufuft圖3 混合模糊pid控制原理圖模糊控制器和pi 控制器采用并聯(lián)形式組合, 控制器的輸出是模糊控制和pi 控制之和, 如式所示:u=uf+ui=uf+kie(t )其中e(t )是連續(xù)變量, 所以u(píng)i = kie(t )也是連續(xù)變量。因此混合型模糊- pid 控制器不僅可以消除極限環(huán)的振

9、動(dòng), 還可以完全消除跟蹤誤差。由圖2 可知在混合型模糊- pid 控制器的設(shè)計(jì)中, 二維模糊控制器的設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的, 是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)難點(diǎn)。3.2模糊控制器的設(shè)計(jì)及仿真模糊控制規(guī)則是由模糊理論中模糊條件語(yǔ)句(if- then)來(lái)描述的,因此模糊控制器是一種語(yǔ)言控制器, 故也稱為模糊語(yǔ)言控制器。事實(shí)上, 模糊控制不需要人們理解控制器本身的作用原理和方式, 模糊控制完全是模仿人腦的思維方式, 一個(gè)模糊控制器就是通過(guò)ifthen形式的規(guī)則進(jìn)行控制的。模糊控制過(guò)程是對(duì)系統(tǒng)輸入信號(hào)進(jìn)行分析、判斷、輸出控制量的過(guò)程。由于它是一種實(shí)用的模擬人模糊推理和決策過(guò)程的控制方法, 因此非常適合非線性的多輸入多

10、輸出系統(tǒng)。模糊控制器有一維模糊控制器、二維模糊控制器、多變量模糊控制器、自調(diào)整因子模糊控制器等多種結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用二維結(jié)構(gòu), 以被控量的誤差e 和誤差變化率ec 作為輸入, 輸出一個(gè)控制變量u , 保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性, 不會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。在該除氧器溫度控制系統(tǒng)中, 模糊控制器采用雙輸入單輸出的結(jié)構(gòu), 其輸入量是采樣時(shí)得到的溫度誤差值e 以及相應(yīng)的溫度誤差的變化率e。輸出量是由兩個(gè)輸入量為因子, 經(jīng)模糊推理決策出的控制量u。首先將采樣到的精確量轉(zhuǎn)換為模糊量, 把輸入量和輸出量的論域均量化為7 級(jí), 即: - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3*。輸入量和輸出量的模糊子集選取如下

11、詞集, 采用7 個(gè)模糊語(yǔ)言變量表示,即為: +pb, pm, ps, ze, ns, nm, nb3。采用等分三角形隸屬度函數(shù)圖如圖4 所示。 圖4 e,e,u的三角形隸屬度函數(shù)對(duì)于任意的輸入變量, 可以通過(guò)上面定義的隸屬度函數(shù)計(jì)算出其屬于這7 個(gè)模糊集合的隸屬度, 從而得到溫度誤差的模糊變量。根據(jù)具體的控制設(shè)備的情況, 以及輸入量和輸出量的變化范圍和對(duì)應(yīng)關(guān)系, 再引用操作者的經(jīng)驗(yàn)和控制原理, 根據(jù)誤差在設(shè)定點(diǎn)以上或以下以及偏差變化是朝向設(shè)定點(diǎn)或離開設(shè)定點(diǎn)來(lái)確定控制量。為了提高溫控系統(tǒng)的控制特性, 采用帶修正因子的控制規(guī)則, 即u = e+ ( 1- ) e# 0, 1由上式可見, 選用不同的

12、值, 即選擇了溫度誤差與溫度誤差變化的偏重程度。當(dāng)溫度誤差較大時(shí), 要求變溫速度大, 值應(yīng)取大些, 偏重誤差因子; 當(dāng)溫度誤差較小時(shí), 要求恒溫的穩(wěn)定, 值應(yīng)該取小一些, 偏重于誤差變化。在實(shí)際應(yīng)用中修改值, 就可以找到最優(yōu)的控制規(guī)則。根據(jù)這些模糊控制規(guī)則, 采用合成推理方法計(jì)算出每條控制規(guī)則對(duì)應(yīng)的關(guān)系控制矩陣rij, 再對(duì)所有的關(guān)系控制矩陣rij 求并集, 利用求大運(yùn)算求取總的模糊關(guān)系矩陣。根據(jù)變量的賦值和模糊控制關(guān)系, 可經(jīng)計(jì)算機(jī)離線調(diào)試、修改, 得到最終的模糊控制表, 存于單片機(jī)的內(nèi)存中。實(shí)時(shí)控制時(shí), 根據(jù)溫度偏差和溫度偏差變化率可直接查找控制表, 獲得控制量去調(diào)節(jié)控制電磁閥4 程序軟件

13、設(shè)計(jì)4.1 程序模塊及設(shè)計(jì)思想軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)編制, 控制軟件主要由主程序、鍵盤顯示子程序、定時(shí)采樣中斷服務(wù)程序、模糊控制算法子程序等組成。主程序的主要功能是完成對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)上電復(fù)位和看門狗復(fù)位的自檢、定時(shí)器,中斷等的初始化以及顯示和鍵盤掃描處理功能等。溫度的采樣和控制有定時(shí)采樣中斷服務(wù)程序完成。模糊控制算法子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)。其設(shè)計(jì)思想是: 當(dāng)誤差較大時(shí), 控制系統(tǒng)的任務(wù)是消除誤差, 這時(shí)對(duì)誤差的加權(quán)應(yīng)該大一些, 即修正因子的值應(yīng)取大些; 當(dāng)誤差較小時(shí), 此時(shí)系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài), 控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定, 即修正因子的值應(yīng)取小些。4.2 模塊軟件設(shè)計(jì)1） 主程序和中斷服務(wù)子程序主

14、程序采用中斷嵌套方式設(shè)計(jì)，各功能模塊可直接調(diào)用。主程序完成系統(tǒng)的初始化，溫度預(yù)置及其合法性檢測(cè)，預(yù)置溫度的顯示及定時(shí)器0設(shè)置。定時(shí)器0中斷服務(wù)子程序是溫度控制體系的主體，用于溫度檢測(cè)、控制和報(bào)警（包括啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報(bào)警和越限處理、輸出可控硅的控制脈沖等）。中斷由定時(shí)器0產(chǎn)生，根據(jù)需要每隔15 s中斷一次，即每15 s采樣控制一次。但系統(tǒng)采用6 mhz晶振，最大定時(shí)為130 ms，為實(shí)現(xiàn)15 s定時(shí)，這里另行設(shè)了一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器。主程序中斷服務(wù)子程序的流程圖如圖7所示保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)開始重裝定時(shí)器0初值ny重置軟定時(shí)器初值中斷返回調(diào)報(bào)警子程序調(diào)顯示子程序當(dāng)前溫度顯示緩沖區(qū)

15、調(diào)用溫度檢測(cè)子程序15s到軟定時(shí)器調(diào)用鍵盤管理子程序，啟動(dòng)鍵盤閉合時(shí)返回等待定時(shí)中斷開定時(shí)器0時(shí)中斷定時(shí)器0，軟定時(shí)器，各種數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，各種標(biāo)志位初始化定義堆棧區(qū)圖5 主程序和中斷服務(wù)子程序流程圖程序和中斷服務(wù)子程序的相應(yīng)程序?yàn)椋褐鞒绦騧ain ： org0000h ajmpmain org000bh ajmppt0 org0030h main： movsp，#59h；設(shè)定堆棧指針 mov tmod，#01h；定時(shí)器0初始化mov tl0，#0b0h ；定時(shí)器定時(shí)時(shí)間100 ms movth0，#3ch movr7，#150；置15 s軟計(jì)數(shù)器初值 acallkin；調(diào)鍵盤管理子程序 setb

16、et0；允許定時(shí)器0中斷 setbea；開中斷 setbtr0；啟動(dòng)定時(shí)器0 sjmp$定時(shí)器0中斷服務(wù)子程序pt0： pt0：movtl0，#0b0hmovth0，#3ch ；重置定時(shí)器0初值djnzr7，back ；15 s到否，不到返回movr7，#150 ；重置軟計(jì)數(shù)器初值acalltin ；溫度檢測(cè)mov bt1，temp1 ；當(dāng)前溫度送顯示緩沖區(qū)movbt0，temp0 acall disp ；顯示當(dāng)前溫度acall cont ；溫度控制lcall alarm ；溫度越限報(bào)警back：reti2) 溫度控制模塊將當(dāng)前溫度與預(yù)置溫度比較，當(dāng)前溫度小于預(yù)置溫度時(shí)，繼電器閉合，接通電阻絲

17、加熱；當(dāng)前溫度大于預(yù)置溫度時(shí)，繼電器斷開，停止加熱；當(dāng)二者相等時(shí)電爐保持原來(lái)狀態(tài)；當(dāng)前溫度降低到比預(yù)置溫度低2時(shí)，再重新啟動(dòng)加熱；當(dāng)前溫度超出報(bào)警上下限時(shí)將啟動(dòng)報(bào)警，并停止加熱。由于電爐開始加熱時(shí)，當(dāng)前溫度可能低于報(bào)警下限，為了防止誤報(bào)，在未達(dá)到預(yù)置溫度時(shí)，不允許報(bào)警，為此設(shè)置了報(bào)警允許標(biāo)志f0。模塊流程見圖5所示當(dāng)前溫度與預(yù)置溫度比較n當(dāng)前溫度預(yù)置溫度y置允許報(bào)警標(biāo)志到達(dá)過(guò)預(yù)置溫度yn當(dāng)前溫度預(yù)置溫度-2關(guān)加熱開加熱返回圖6 溫度控制模塊流程圖心得體會(huì)除氧系統(tǒng)要求除氧器的溫度、水位和壓力穩(wěn)定, 但是其控制過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型難以建立, 控制的困難在于系統(tǒng)不僅具有很大的時(shí)變性和非線性, 而且溫度

18、、水位和壓力在控制過(guò)程中相互影響, 彼此耦合在一起。因此, 如果控制方法不當(dāng), 將出現(xiàn)系統(tǒng)波動(dòng)及太大的誤差, 甚至系統(tǒng)失穩(wěn)。本設(shè)計(jì)針對(duì)除氧系統(tǒng)具有大滯后、時(shí)變性、非線性的特點(diǎn), 引入模糊控制的思想, 設(shè)計(jì)了一個(gè)雙輸入單輸出的模糊控制器。實(shí)踐證明, 模糊控制方式響應(yīng)速度快, 控制精度高，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便。經(jīng)過(guò)為期二周的課程設(shè)計(jì)，令我更進(jìn)一步加深過(guò)程控制的了解，引入先進(jìn)的pid調(diào)節(jié)和模糊控制的算法并且根據(jù)自己的實(shí)踐做出了這份設(shè)計(jì)，這使我將來(lái)進(jìn)入工作打下了良好的基礎(chǔ)。課程設(shè)計(jì)對(duì)于我們自動(dòng)化專業(yè)來(lái)說(shuō)是十分重要的，把書本上的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，鍛煉了自己我動(dòng)手操作能力。參考文獻(xiàn)1 方康玲. 過(guò)程

19、控制系統(tǒng). 武漢:武漢理工大學(xué)出版社.20022 趙麗娟. 基于單片機(jī)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).北京:機(jī)械制造出版社.20063 張開生. 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 微計(jì)算機(jī)信息出版社.20054 孫育才. mcs-51系統(tǒng)單片機(jī)及應(yīng)用.南京:東南大學(xué)出版社.19975 涂時(shí)亮. 單片微機(jī)軟件設(shè)計(jì)技術(shù). 重慶:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社.19896 陳龍三. 8031單片機(jī)c語(yǔ)言控制與應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社.19997 楊恢先. 單片機(jī)原理及應(yīng)用. 長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社.2003ut2apodfxxc02gybkskcww97mrqqwhoj5tl15zt6jipyytycummtarp

20、3v1n5luizi3xh3bhwyreko8d9g7nmzqowpjetldrw08gvs8dsdqqygc3ce7moo2tlf0jf1gk74iuxybmtivr97ckrfvqult5fn2t6mpjr6rbzvpsortzvij5nb5ndvvsr4iwr1twlfkglspzuhrjq3cmzu98euouijdlszqpmvrw9zkupxf8wfug9l2g9277g2rtipa1ypczeuqxpkbhtvdcooqozxuz3vjrzmocijym62zchmeootyes8ebmm932tbz2yo09rtszeys8zrd2yktj8l6jeazvajnfbtrylvs

21、m6ofbftoxvrffn7owiygjlamkunxjybz5rrb7r4vsur9zpfzfmfsjhcfca37lnw2vvlrkn7r8psz1bn6oric5hu5z6hcxayqynpog8duybawqsl20csg06dh2sm8hltgpkicskrgopdpuhbj1lmpk7lydvc6nnmwl3fwhzftfvyaary7lhssxj10v3ph3y19bxyr77ib7cpzsu2tijqe3hkqkkau9kskcphkxuikvvyjzpg2yijrkqfbggovyqkuxnwi9omnjtt6qilzxtyrf7d20fbmabcfiixrqkusvnxb

22、ppfuxyq1fjskfsubkgs2duvqc9sz4jkbgn4qqv66pyoarjurnfj3txyfclzieeptwfjthpheipdfnqnr2hjqkv2dzwtmpdjqkbcxmovdsjqctjagjmdlskpgad2s0h0vmzgaht36gyuez7umank1ndreubeqdgrx0venqgnsyib2ilq3siqrnl4m56t7z8y8da5k0kupn5nzg4jvjdtffhyt82aogqkxo4vblmleiy2p7hthbho07rcfttxodydppdtqso7wxd0j6fkklgm4wodzplhtrr2xgqn13hqy59zu1gegdyqnihntavsieuefqcyfucjwd3vk5i7ykmhundmiz ut2apodfxxc02gybkskcww97mrqqwhoj5tl15zt6jipyytycummtarp3v1n5luizi3xh3bhwyreko8d9g7nmzqowpjetldrw08gvs8dsdqqygc3ce7moo2tlf0jf1gk74iuxybmtivr97ckrfvqult5fn2t6mpjr6rbzvpsortzvij5nb5ndvvsr4iwr1twlfkglspzuhrjq3cmzu98euouijdlszqpmvrw9zkupxf8wfu